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1、7骨料7.1引言矿物骨料在使用量方面是主要的土木工程材料。它们单独使用（在道路基础和各种类型的填充）和与水泥基复合材料一起使用（如波特兰水泥或沥青水泥），形成复合材料或混凝土。我们最感兴趣的是，作为波特兰水泥和沥青混凝土的一个组成部分使用的骨料，这将形成本章讨论的基础。矿物集合体构成70-80%的波特兰水泥混凝土和沥青混凝土90%或更多的量。其结果是，骨料特性直接影响这些混凝土的性能。骨料被定义为惰性，颗粒，无机材料，通常由石头或石状固体组成。（在一些特殊的混凝土中，有机材料和一些骨料缓慢与含水波特兰水泥反应）。在实践中所用的大量的骨料（1）自然的，在该材料中的颗粒的材料并没有被改变，在他们的
2、生产过程中（虽然骨料本身可能已经进行处理，如破碎，洗涤和筛分）；以及（2）正常的体重（即，与一个特定的重力或相对密度约2.6）。这种骨料的例子是天然砂，砾石和碎石。合成骨料或人工骨料：1、工业过程的副产物，如高炉矿渣。2、产品的生产过程开发制造具有特殊性能的骨料，如膨胀粘土，页岩，或石板,用于轻质骨料。3、再生或废弃建筑材料，如再生波特兰水泥混凝土。这样的骨料是不常用的，但可能在经济上考虑的基础上，或其特定的属性是必需的。然而，回收或废弃建筑材料的使用作为骨料，应大幅增加，在未来的天然骨料变得不那么丰富，因此更昂贵。对骨料性能通过测试的相关样本通常用标准方法或程序的规定确定。由于骨料质量是可变
3、的，必须遵循适当的抽样程序，以确保样品的测试是代表作为一个整体。7. 2成分与结构天然骨料来自岩石。这些可能包括单一的矿物（例如，石灰石），但他们经常包含几个不同的矿物（例如，花岗岩）。他们是按成因分为三大类型的火成岩,沉积岩，变质岩，可进一步根据化学组成和矿物组成，内部结构，纹理细分。火成岩通过熔融物冷却形成（即，熔融岩石的问题）或高于或低于地球表面。在冷却过程中的相分离，这些岩石包括晶体或矿物中的结晶（或有时是玻璃）脉石。冷却速度决定了晶体的大小，从而加强了岩石性质：细粒度较小的岩石一般都比较强（见图7.1和表7.1）。沉积岩是由地球表面现有岩石风化和侵蚀产物的固结所形成的。虽然在形成过程
4、中可能会产生一些额外的结晶，但主要是减少孔隙率，因为很少发生烧结。这些岩石往往是弱于火成岩的，因为在产生强大的微观结构中机械压实与有效的晶体生长是不一样。这些岩石一般都反映了其组成矿物的各向异性行为。变质岩是由强烈的热、压力作用于沉积岩矿床形成的。由此产生的岩石是没有太多孔的（即，它们是更致密的），并且具有更强的脉石，因为再结晶和晶粒生长过程中可能会发生在形成过程中。因此，它们比沉积岩（见图7.2）更为强烈，更不具各向异性。(a)玄武君*15(b)花囱岩*15图7.1细粒玄武岩(a)比粗粒花岗岩(b)强.表7.1不同微观结构岩石的特性岩石类型例子玄武岩比重2.6-3.O孔隙率(%vol)0.1
5、-1.0抗压强度MPa50-200弹性模量GPa30-70摘要细纹理火成岩-44-J=UUU花冈石2.6-3.O0.5-1.5100-2505-50粗糙的粒状的页岩2.0-2.753010-100550沉积岩石灰岩2.3-2.852035-2502-70砂岩2.2-2.752520-1755-50复合结构板岩2.6-2.90.l-0.5100-20010来自页岩变质岩大理岩2.6-2.80.5-2.0100-25040-100来自石灰石硅岩2.6-2.70.5-5.0100-30010-70来自砂岩图7.2石灰石(a)和大理石(b)的微观结构，说明了所产生的离子变质过程的不同。不列颠哥伦比亚大
6、学地球与海洋科学系照片。7.3特征7.3.1几何属性颗粒尺寸与分级骨料的颗粒或微粒材料，骨料的有用性在相当程度上取决于其大小和级配，或粒度分布，以及其组成的颗粒。骨料微粒大小的粒子被认为是某种程度的粒子的直径。在实践中，一个粒子的大小，无论其形状，如果粒子会穿过一个方形孔大小则考虑为4。因为骨料的颗粒样品中可能有一个无限大的尺寸范围，一系列的筛子或不同尺寸筛口用于获得一些粒子大小的估计分布。粒子的大小通过筛子大小4的筛口但保留下一个小筛的大小dm,然后采用4dm或粒子被认为属于d,一dm大小。例如，所有粒子穿过一个40亳米的筛口但保留一个20毫米的筛口属于20-40毫米大小分段。最大化尺寸骨料
7、(MSA)被定义为最小的通过筛孔的整个总样本。粒子大小的分布在一个总样本里,称为等级或层次,通常表示为粒子的累积百分比较小或大于每一系列筛或筛口的机会。这些分布通常以图形化形式呈现,称为颗粒级配曲线,通过累积百分比或保留绘制特定筛筛分粒度。有几种类型的骨料级配。最常用的是连续的或密集的分级，其中骨料包含的最大和最小颗粒尺寸的每一个大小之间的数值，被称为一个或多个梯度的颗粒的骨料，其中包含一个或多个尺寸大小的颗粒被称为间隙分级。图7.3所示的连续、均匀和间隙梯度集的示意图和分级曲线。结合MSA,级配确定总样品中的颗粒特定的表面积（即表面积，每单位重量或体积）。对于一个浓密（连续）的级配骨料，当M
8、SA减小时表面积增大。骨料级配与骨料颗粒之间的空间（即，空隙空间）是最小的，因此骨料密度的最大值在一些应用中是非常重要的。理论或理想的最大密度等级（图7.4a）,已在球形颗粒的充填特性的基础上发展起来了（图7.4b）。骨料在尺寸上通常分为2类：细和粗。该分割是任意在4毫米（4.75毫米）或5毫米的颗粒大小；较小的颗粒组成的细骨料，和较大的颗粒，粗骨料。骨料规格通常含有细和粗骨料的分级限制，典型的细和粗骨料在波特兰水泥混凝土混合物使用的分级限制分别在表7.2和7.3给出。一种骨料级配的粗度和细度可以通过经验系数表示为细度模数，这是通过增加骨料样品的百分比使其保持在每一个指定系列筛型以及总和除以1
9、00。这一系列的标准筛的尺寸是0.15毫米（IoO号），0.30毫米（50号），0.60毫米（30号），1.18毫米（161号），2.36毫米（8号），4.75毫米（4号），9.50毫米（3/8以内），19毫米（3/4以内），38.1毫米（1.5以内），76毫米（3以内），150亳米（6以内）。对于细集料，材料的累积百分比保持在低于4号筛（4.75亳米）或5亳米的尺寸是用来确定细度模数和这个值通常落在2.3和3.1之间，当骨料的级配增加实例计算粗糙度增加，在累积或总通过率方面，和细度模数（FM）为细骨料是表7.4中给出的。骨料在级配曲线中相同，具有相同细度模数并不是必要的。连续均匀间隙（a）增
10、加累计百分比增加粒径/筛开（b）图7.3不同级配的示意图（a）和（b）相应的级配曲线。表7.2ASTMC-33级配细骨料的限制筛大小通过9.50毫米（3/8）1004.75毫米（4号）951002.36亳米（8号）80100L18毫米（16号）5085600微米（30号）560300微米（50号）I（T30150微米（IOo号）210表7.3ASTMC-33分级粗骨料的限制通过（额定最大尺寸骨料）37.5mm25.Omm19.Omm12.5mm筛大小1.5内1内0.75内0.5内50mm（2内）10037.5（1.5内）95-10010025.Omm（1内）95-10010019.Omm（0.
11、75内）35-7090-10010012.5mm（0.5内）25-6090-1009.50（3/8内）10-3020-5540-704.75mm（4号）0-50-100-100-152.36mm（8号）0-50-50-5Sieveno.（b）图7.4密集级配骨料：（a）汤普森最大密度（最小空隙率）的级配曲线；（b）对密实分级概念的示意图。表7.4筛分试验结果及级配曲线和细度模数的计算筛大小编号保留重量g保留%累计保留g通过保留g4.7540001002.368241.911.911.990.61.1816388.919.131740.630505.524.955.951.70.350543.4
12、26.782.625.10.15100340.816.899.48.4Pan11.30.61000FM=(11.9+31.0+55.9+82.6+99.4)/100=2.81沥青混凝土混合物的力量很大程度上是由于混合物骨料颗粒之间的机械联锁的，因此它是重要的，以确保粒子的大小和分级等促进骨料嵌锁。虽然密度等级都需要高强度混合，福勒汤普森最大密度的空隙含量层次太低而不足以容纳足够的水泥或沥青粘结剂，并在实践中，定级的沥青混凝土混合物会稍微分离。然而，对于波特兰水泥混凝土混合物，骨料颗粒之间的交互干扰材料的新鲜状态的可加工性，和更少的密实骨料必须使用分级。此外，密度较低的骨料表面积较小（尽管孔隙空
13、间比较大），所以需要更少的波特兰水泥浆来覆盖聚合粒子并且混合物的成本可能更低。然而，根据最大尺寸聚合和组合的某些属性，需要一些最少的细骨料，以确保一个波特兰水泥混凝土有足够的凝聚力和可塑性。最佳骨料分级，就分级限制而言，由各种组织指定为不同结果使用。商用总量可能不符合这样的规范，因此两个或两个以上的聚合有不同层次可能需要结合或混合生产指定的层次。颗粒形状和表面纹理颗粒的形状和表面纹理也很重要，在确定的量之间的聚集体颗粒之间产生相互作用。然而，这些性能没有得到充分的定义在一个定量的意义上，因此它们对混凝土混合物性能的影响不能准确地评价。颗粒的形状和表面纹理是该骨料己被影响处理操作的结果，以及它的
14、矿物组成和晶体结构。粒子的形状是相对独立的两个特征：角度和球度。棱角性是一个边缘的相对清晰度函数。它可以被数值化的定义，但它通常表示描述性：例如，圆与角。圆球度是颗粒表面积与体积比的函数。它也可以被数值化定义，但是它通常用描述性术语在粒子尺寸之间的关系的基础上描述：例如，等轴，片状，或拉长。颗粒表面纹理与表面粗糙、光滑或粗糙的相对程度有关。该属性也是对其描述或定性的评估。由于机械联锁的骨料颗粒度之间增加的颗粒增加了棱角，用于沥青混凝土混合料的集料要求的最低的粉碎颗粒的断裂或断裂面达到的强度或稳定性令人满意。用碎石相关的粗糙表面纹理也增加了颗粒间的摩擦以及混合料的强度。此外,虽然粗糙的表面纹理的
15、沥青水泥比光滑，玻璃质地纹理更难润湿，一旦润湿，它会提供更多的附着力。对波特兰水泥混凝土混合料而言和易性的要求决定使用光滑骨料。然而，粗糙的纹理表面，提高了硬化混凝土水泥净浆骨料的粘结，及其力学性能。7.3.2物理性质孔隙率和空隙率孔隙率定义为指散粒状材料堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例(即，内容积)。因此，它并不涉及对颗粒间空隙体积的填料中的骨料颗粒，这是空隙率。孔隙率为体积百分数的数值定义为：p=(Vp/Vb)X100,(7.1)VP=体积内的毛孔聚合粒子，然后Vb=多孔骨料颗粒的体积总量。粒子的毛孔有两种类型：互联和不连续，相互关联的毛孔是表面开放的骨料颗粒，可以渗透和注满水或其
16、它液体。相关的孔隙连通孔隙被称为有效孔隙度，在实践中假定这有效孔隙度等于骨料颗粒的总孔隙度。聚合的许多性质显著影响其孔隙率。由于孔隙率的增加，体积密度，强度，弹性模量，和耐磨损性的下降(见表7.1)。波特兰水泥混凝土中使用的低孔隙率的骨料是可取的，如果它们的孔隙率较高，以及有较小的可提供的和易性，水就会被骨料颗粒的混合物吸收。在沥青混凝土混合物中，如果该区域之间接触的骨料和沥青水泥增加，最小孔隙率约0.5%是可取的粘附的H的。样品中的总含量是个体的骨料颗粒，个别体积之间的空间量。作为体积百分数，空隙率的数值定义为V=(VvVt)X100(7.2)在VV=总体积的样品中的骨料颗粒之间的空隙，和V
17、t=总体积的样品，包括骨料颗粒之间的空隙。它是在配料和波特兰水泥沥青混凝土混合料的沥青混凝土技术的一个重要参数，孔隙含量称为矿料的空隙(VMA)。吸收，含水量，渗透性骨料颗粒可以吸收水分，因为它们含有一定的孔隙率，并且可以在其表面上保留一层薄薄的水膜。因此，骨料可以存在于以下四个水分状态之一，如图7.5所示：1 .烘箱干燥(OD)O所有的水分从骨料中是由加热到超过105摄氏度的烤箱至恒重去除的(整夜的加热通常就足够了)。所有的毛孔都变空。2 .风干(AD)。所有的水分都从聚集颗粒的表面除去，但内部的毛孔部分是充分的。3 .饱和面干(SSD)o所有的毛孔都充满了水，但颗粒的表面上的没有水膜。饱和
18、面干潮湿的4 .润湿。所有的毛孔都完全充满水，所有颗粒的表面上有水膜。烘干的风干的图7.5骨料的水分含量这四个状态中，只有2个一烘箱干燥和饱和的表面干燥一对应于特定的水分含量，因此可作为参考。骨料的吸收能力是指水的最大吸收量，它是在烘箱干燥和饱和面干水含量的差异。水分烘干状态被表示为一个烘干重量的百分比如下：吸收能力(%)=ooWoD(7.3)其中也如和以。特别的代表在饱和状态，表面干燥和干燥状总样本的重。态量有效吸收代表要求为骨料的干燥空气的饱和面干状态的水的量，表示为饱和面干重百分比如下：有效吸收(%)=%-叼Z)XIooWSSD(7.4)其中WAD代表在晾干条件下总样本重量。表面含水量是
19、指骨料颗粒表面的水，润湿表面和饱和表面干燥状态之间的差异，也可以表示为饱和表面干重的百分比：表面水分(%)=%-WSSXiOOWSSD(7.5)WWET指在潮湿的条件下，总样品的重量。在任何状态中的骨料的含水量(例如在料堆中等待使用的)。可以简单地表示为:W-U/水分含量(%)=WaGG。力XlOo(7.6)其中叼GG是骨料堆存条件的重量。如果含水量大于吸收能力，则骨料为湿（即骨料颗粒表面或游离水分），若小于，则骨料为晾干的，并会吸收附加水分。骨料的含水量和吸收能力是波特兰水泥混凝土配合物中的重要参数，因为它们决定了必须添加到混合料中的水量，以提供所需的工作性水平。大多数正常的重量骨料的吸收能
20、力在05和2%之间，具有较高的值表明是高孔隙率的骨料，可能有潜在的耐久性问题。渗透率，或流体通过或渗透的敏感性，也是一个骨料的孔隙度的函数。此属性对骨料抵抗恶化有一个显着的影响，特别是在骨料中水存在时。骨料的比重，或相对密度，是其质量（或重量在空气中）与在规定温度下的相等体积的水质量的比例。三种类型的比重是常用的描述，并且在不同的骨料的水分含量的基础上，他们是：体积比重，wSSD-wsw体积比重（饱和面干），SSDSW视比重,其中WSSo和。特别的代表在饱和状态，表面干燥和干燥状态总样本的重量，如上所述，WSSD代表饱和试样的含水重量。“真实”的比重合计，Gt,在骨料颗粒剔除所有毛孔的烘干重量
21、的固体体积比。各种特定的重力值之间的关系是GbGbssdGaGt.7.3.3强度和韧性骨料颗粒的强度和其他相关特征依赖于矿物成分的性质和颗粒之间的结合，以及粒子的孔隙度，因此可以在宽范围内变化（表7.1）。不幸的是,没有真正让人满意的测试来测量这些性能。洛杉矶磨耗试验（ASTC-131和ASTMC-535）已经在过去常用来获得某种程度的测量，但它是一种间接的，经验检验方法不提供任何关于骨料的基本信息。这个测试测量了标准等级的骨料退化造成的磨损或撞击，而且是在一个包含指定数量的钢球体的旋转的滚筒研磨下的磨损。强度和韧性是必需的，以防止颗粒在沥青混凝土混合物铺路和在交通荷载作用下制造，放置和压实的
22、击穿。粘结剂含量低的混合料对比密级配混合料，击穿的力量可能对于开级配是更严重的。因此，当强度和韧性较差时，密级配混合料骨料的使用是可取的。骨料在交通荷载作用下也受到磨损，因此，其耐磨性是非常重要的对波特兰水泥或沥青混凝土路面的使用。骨料强度在波特兰水泥混凝土混合物中的重要性是不太重要的，因为某些特殊的混凝土，骨料一般比波特兰水泥浆更强并且颗粒不是直接接触。7. 3.4其他性能表面化学骨料的表面性能对波特兰水泥混凝土混合物的潜在用途影响不大，因为其他的因素主要是负责与水泥浆粘结。然而，这些性能对沥青混凝土混合物中的骨料的使用是很重要的，因为颗粒的表面可能是带电的，这将影响骨料和沥青水泥之间的粘附
23、或接合。疏水性或防水的骨料，如石灰石和白云石（基本性质），有一个积极的表面电荷和表面能是这样的，用沥青水泥比用水更容易潮湿；而亲水性或吸水的骨料，如硅酸盐（酸性），具有负的表面电荷也更容易被水湿润。即使在没有水的情况下，沥青胶结物的亲水性骨料会被弄湿，如果水能够进入混合物,并渗透到界面，骨料胶结键是容易破裂的，（更多的细节，见章9）。表面涂层骨料颗粒的表面有时也会自然地覆盖材料，如粘土、粉砂、碳酸钙、氧化铁、猫眼石、石膏等。这些涂层在波特兰水泥或沥青混凝土混合物可能是有害性能的骨料，因为它们干扰的表面和粘合剂之间的键。它们在厚度、硬度和粘附性上有很大的不同。如果在骨料加工（破碎、水洗等）时不分
24、解，它们可以在混凝土中混合和放置后脱离骨料，从而对混合物的性能有负面影响。耐久性耐久性是为了抵抗不断恶化的影响，它可能驻留在骨料本身，或固有的被暴露的环境中。物理耐久性是对物理过程的抵抗，它可以破坏或以其他方式破坏骨料颗粒，而化学耐久性是对化学过程的抵抗。在大多数情况下，大部分的岩石都是坚固耐用的，在大多数情况下它们都是稳定的。然而，几种不同类型的不稳定被称为：1 .不稳定的体积变化（即膨胀体积变化，由于水的吸收或化学反应如氧化，水化或碳酸作用）。2 .解冻恶化（例如，扩大和集料颗粒由于过度液压压力由水冻结时液体水体积的相变的增加产生的有关压裂）o冻融问题与1中的膨胀问题有关，因为骨料的敏感性
25、取决于其颗粒的孔隙率和渗透率。本主题将在第8章中更详细地讨论3 .机械降解或聚合粒子击穿，可处理和储存操作以及在使用过程中发生的，由于低强度和韧性。4 .化学降解，如混凝土中的碱骨料反应（见第9章）。有害物质有害物质可以发生在相对少量的骨料中（一般小于1%）,并可能会导致有害的影响。这种物质的例子包括以下内容：1.吸附剂颗粒，如页岩，硅质岩或浸出，多孔燧石。这些颗粒通常是容易受到影响的，特别是在波特兰水泥混凝土的问题上。2 .土块和”易碎”的粒子，它很容易崩溃或破碎，尤其是当饱和的时候。3 .煤或木材颗粒，其作用是较弱的不稳定的夹杂物，4 .有机杂质，这主要发生在砂和砾石沉积物污染的覆盖层上。波特兰水泥混凝土,水溶性有机物会影响水合反应和延缓混凝土的强度发展。5 .扁平或细长颗粒。这些粒子能引起波特兰水泥和沥青混凝土的问题，因为他们与其他粒子的相互作用导致可用性和/或压实性损失标准测试方法可以检测这些材料并且确定近似量和可能的影响（例如，ASTMC-40）和ASTMC-142）。
